NAS:太空垃圾，會阻礙人類的星辰大海之路嗎？

劃重點

★太空垃圾如果雪崩式增長，會阻礙人類的星辰大海之路。

★太空垃圾的低成本高效清理，是我們面臨的一個技術挑戰。

“保羅和我利用助推器靠近了它，正在拴連結繩的時候，保羅的面罩上突然出現了一個洞……空氣從面罩中沖出來，他一下子就飛出去老遠，我只好眼睜睜地看著他旋轉……在他的嘴角右側，有個一元硬幣大小的窟窿，正是這個洞使他顯出一張怪異的大嘴。不過他確實臉帶笑意，他肯定是在一瞬間失去了生命，那瞬間的微笑就凝固成為永恒。仿佛在昭示：生命是多么的脆弱。”

幸好，上面這起慘烈的太空事故，只是袁英培的小說《太空神風》中虛構的情節。但如果我們不早點開始應對太空垃圾的威脅，這種場景只怕以后就會成真。

美國一項商業太空任務將在今年晚些時候將1枚比特幣送上月球:總部位于美國匹茲堡的商業太空公司Astrobotic Technology通過其商業月球有效載荷服務(Commercial Lunar Payload Services)與美國宇航局(NASA)簽訂了合同，并將于 2021 年第四季度將其 Peregrine 著陸器送上月球。根據周五在佛羅里達州邁阿密舉行的比特幣2021大會上發布的公告，Peregrine-1的有效負載將包含一個比特幣，這是Astrobotic和加密貨幣交易所BitMEX達成的一項協議。（The Block）[2021/6/5 23:13:31]

在STS-126中丟失的工具包

02

太空垃圾為何如此致命？

可能有的朋友會奇怪，太空中這些垃圾，感覺比日常生活中的垃圾好像也高不到哪兒去啊？能有什么危害呢？無非就是看到大塊的垃圾躲開，小渣渣直接無視就行了唄？

Blockstream首次實現從太空中發起比特幣交易:Blockstream首席戰略官繆永權在推特上表示，通過 Blockstream的衛星服務，第一次實現了從太空發起的比特幣交易，這也可能是宇航員首次收到比特幣，或者說至少這是國際空間站的前指揮官Chris Hadfield首次收到比特幣。據繆永權介紹，此次交易是在2020亞洲區塊鏈峰會期間發送的。[2020/7/20]

道理其實很簡單，那就是速度，同樣是一顆子彈，別人用手扔給你，你很輕松就能接住，但如果是從槍膛里以數百米每秒的速度射向你，那就得出人命了，而太空垃圾的運動速度，遠超槍彈。

太空垃圾之所以會對在軌航天器產生致命威脅，正是由于空間碎片的高速碰撞。相對地球來說，太空垃圾本身的速度常超過7.5km/s，而步槍的子彈速度只有大約1km/s，太空垃圾有可能和空間飛行器發生對撞，最高速度可以高達15km/s。別看一個大小在厘米尺度的空間碎片不起眼，但已足夠摧毀整顆衛星。即使是毫米尺度的碎片，也有可能癱瘓衛星。

動態 | Gemini聯合創始人稱用BTC購買太空門票為其“比特幣披薩時刻”:比特幣億萬富翁、加密貨幣交易所Gemini的聯合創始人Tyler Winklevoss?將他在2014年用比特幣購買太空門票其形容為他的“比特幣披薩時刻”。2014年1月，Winklevoss以312.5 BTC的價格購買了維珍銀河公司的載人航天票，當時價值25萬美元，目前該門票價值超過300萬美元，增加了1174%。（CoinTelegraph）[2020/2/24]

美國航天飛機上的撞擊坑

俄羅斯和平號空間站上被太空垃圾破壞的太陽能電池板

太空鏈官方：白皮書1月發布后從未修改:太空鏈（SPC）官方昨日發布關于部分不實信息的聲明稱：1.關于太空區塊節點，是官方委托Qtum量子鏈為代表，與北京九天微星科技簽訂衛星搭載服務合同，此次合作是太空鏈創始團隊發起，并聯合量子鏈與九天微星共同完成的。2.太空鏈項目白皮書于2018年1月正式發布，至今未做修改，其他流傳的白皮書版本均為草稿版或預覽版。SPC現全球均價0.72元，24小時跌幅13.6%。[2018/3/8]

03

如何防范太空垃圾造成的意外？

人們提出了4種辦法，用于防范太空垃圾造成意外破壞。分別是監測和預警、碰撞規避和防護、離軌和棄置策略以及主動清除。

監測和預警

對空間碎片保持監測，并對其進行編目和碰撞預警是降低空間碎片撞擊風險的第一步。各個航天大國都建有空間監測網絡，如美國空間監測網絡(SpaceSurveillanceNetwork)，既包括天基的衛星平臺，也包括地面的雷達、光學望遠鏡。

QTUM將在2月2日18點發布太空節點:QTUM官網顯示，距離QTUM太空節點發布還有30余小時，將在北京時間2018年2月2日18點正式發布。[2018/2/1]

美國兩代空間目標監測“空間籬笆”。

左圖：部署在美國本土的第一代，右圖：部署在海外的第二代

碰撞規避和防護

碰撞規避和防護是通過“躲”和“防”的方式應對可能出現的太空垃圾碰撞威脅。當在軌航天器與較大的空間碎片或其他物體存在較高的碰撞風險時，通過變軌離開碰撞軌道是最簡單直接的規避方法。但以消耗燃料、損失其工作壽命為代價。從1999年部署至2020年9月，國際空間站為規避空間碎片共變軌28次，其中2020年1月至9月共執行3次碰撞規避變軌。

對于更小的碎片，可以通過提升航天器自身防護水平以直接抵抗空間碎片的撞擊。

與常識相反，單純增加航天器外殼的厚度并不是高效的做法，很多時候采用的是FredWhipple早在1947年針對空間微流星體提出的多層防護措施。Whipple提出微流星體在擊穿一塊厚度與自身尺度相當的材料后會因高溫而氣化和電離，因此只需在航天器外1英寸的距離上包裹一層約6—7mm厚的材料，即可防護空間微流星體的撞擊。這一防護措施被稱為Whipple防護。目前，國際空間站和我國的天宮空間站，均裝有Whipple防護板。

左側為模擬只加厚倉壁，而右側則為加上Whipple防護板的效果，圖片來自NASA

離軌和棄置

由于大氣阻力作用，低軌衛星會在阻力作用下自然降低軌道。低軌衛星在工作壽命結束后，如果25年內可以再入大氣隕落，則不需要處置。如果軌道高度不太低，需要采取適當的離軌措施降低軌道，遵照25年內隕落的建議。

對于地球靜止軌道衛星，工作壽命結束后可以抬高軌道至“墳墓軌道”。墳墓軌道可以保證被棄置的衛星不與正常的靜止軌道相交，確保靜止軌道工作衛星的安全。除此以外，為了進一步減緩空間碎片，減少不必要的解體事件，航天器或火箭體在棄置時需要耗盡內部能源，包括：(1)排空或燃盡推進劑；(2)電池放空電量；(3)釋放艙內壓力。

主動清除

對于近地空間越來越多的空間碎片，比較合適的處置方式是主動將其清除。目前主動清除尚在理論研究和實驗階段，常見的方案包括附著后推離軌道、柔性網拖離軌道、激光燒蝕反推離軌等。

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為了星辰大海，垃圾真的不能再增加了

目前編目在冊的空間碎片已超過2萬個，而受觀測手段限制尚不能跟蹤到的厘米以下更小的碎片則超過1億。其實早在20世紀70年代就有科學家提出，衛星等航天器因碰撞而解體，可能由此引發連鎖反應。

NASA約翰遜航天中心軌道碎片項目辦公室統計的各類型較大碎片的數目

這就是大家所熟知的“凱斯勒效應”(Kesslersyndrome)。簡單來說就是除非大尺寸廢棄物體的數量顯著降低，否則隨著物體間隨機碰撞的發生，碰撞產生的碎片將成為新碎片的重要來源，發生類似原子彈爆炸的鏈式反應，碰撞越來越多。太空垃圾逐漸包圍地球，使得新的航天發射無法進行。

太空垃圾如果數量過多，超過了臨界密度，發生“凱斯勒效應”，從而雪崩式增長，將會阻礙人類的星辰大海之路。

為此，美國、歐洲、俄羅斯，還有我國都在發展太空垃圾主動清除技術。太空垃圾的低成本高效清理，是我們面臨的一個技術挑戰。相信以后隨著人類太空活動的增加，將會出現像小說《太空神風》以及動漫《星空清理者》中的太空垃圾回收行業。

作者|周炳紅中國航天科普大使，空間科學傳播專家工作室副主任，中國科學院國家空間科學中心研究員

審核|劉勇中國航天科普大使，中國科學院國家空間科學中心研究員，博士生導師，美國新罕布什爾大學理學博士，中國科普作家協會理事，航天科技教育聯盟特約專家

責編|丁崝

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